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移动通信系统中软件无线电技术中频模块研究 摘要 随着现代通信技术的迅速发展，大量的通信技术从模拟转换到数 字技术，越来越多的无线技术由硬件实现转换到用软件实现。无线通 信技术正慢慢的向软件无线电方向转变。 软件无线电是基于一个通用的可编程硬件平台，通过软件的方式 来实现各种通信标准和通信制式。其的核心理念是：将宽带a f d 和d a 变换器尽可能地靠近天线，将电台功能尽可能地采用软件 进行定义。用软件实现各种无线通信的基本功能单元，使得无线通 信系统摆脱硬件系统结构的束缚。 本论文首先介绍了移动通信的发展趋势，以及软件无线电系统的 体系结构和其中的关键技术。结合理想软件无线电的设计思想，对目 前可行的中频数字化软件无线电技术的软硬件实现方案进行了深入 地探讨和研究。 文中着重研究了软件无线电中的数字中频技术。详述了相关的理 论基础，关键技术，技术难点，并结合移动通信系统中的特点对软件 无线电实现高速移动通信技术进行了深入的研究。 最后，提出了一种基于f p g a 的中频实现方案，并对软硬件实现上 的难点技术数字上变频，数字下变频，高速实时数字信号处理技 术提出了一些自己的想法和解决方案。最后，完成了数字上变频的编 码和功能仿真，以及数字下变频编码，仿真和硬件平台的验证。 关键词：软件无线电数字上下变频数字信号处理f p g a r e s e a r c ho ni n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y m o d u l ei ns o f t w a r er a d i o m o b i l ec o m m u n i c a t l 0 ns y s t e m s a b s t r a c t a sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yc o n t i n u e si t sr a p i dt r a n s i t i o nf r o ma n a l o gt o d i g i t a l ，m o r ef u n c t i o n so fc o n t e m p o r a r yr a d i os y s t e m sa r ei m p l e m e n t e di ns o f t w a r e ， l e a d i n gt o w a r dt h es o f t w a r er a d i o a sap r o m i s h a gn o v e lc o n c e p ta n ds y s t e mt or e a l i z em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， s o f t w a r er a d i o sc o r et h e o r yi st op u tt h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ra n dd i g i t a lt o a n a l o gc o n v e r t e ra sc l o s e l ya sp o s s i b l et ot h ea n t e n n a , a n da l lt h ef u n c t i o ni sd e f i n e d a ss o f t w a r e ，w h i l et h eh a r d w a r ei st r e a t e dj u s ta sab a s i cp l a t f o r mi ns o f t w a r er a d i o t h u s ，g o o dp e r f o r m a n c ei ng e n e r a l i t ya n df l e x i b i l i t yc a nb em e te a s i l yi ns u c hm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s a n di ti sa l s ov e r yc o n v e n i e n tt oi n t e r - s y s t e mc o n n e c ta n du p d a t e t h i sl i b e r a t i o ni sa c c o m p l i s h e dt h r o u g hac o m b i n a t i o no f t e c h n i q u e st h a ti n c l u d e s m u l t i - b a n da n t e n n a sa n dr a d i of r e q u e n c y ( r f ) c o n v e r s i o n ；w i d e b a n da n a l o gt o d i g i t a l ( a d ) a n dd i g i t a lt oa n a l o g ( d a ) c o n v e r s i o n ( a d ac o n v e r s i o n ) ；a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) ，b a s e b a n d ，a n db i t s t r e a mp r o c e s s i n g f u n c t i o n si n g e n e r a l - p u r p o s e p r o g r a m m a b l e p r o c e s s o r s t h er e s u l t i n g s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( o r “s o l f w a r er a d i o ”1i n p a r te x t e n d st h ee v o l u t i o no f p r o g r a m m a b l eh a r d w a r e ，i n c r e a s i n gf l e x i b i l i t yv i ai n c r e a s e dp r o g r a m m a b i l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ea n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f s o f t w a r er a d i o ，s t u d i e sf e a s i b l ei m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r er a d i of o r d i g i t a l i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , d i s c u s s e si t sh a r d w a r ep r o p e r t i e sa n df i n a l l yi n d i c a t e si t s a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nn e x t g e n e r a t i o n a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a h a r d w a r et e s t b e dp l a t f o r mi sd e s i g n e da n dv e r i f i e di nt h ep a p e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s t u d y i n go fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yf i e l do fs o f t w a r er a d i oi s f o c u s e d ，s t i l l ，s o m en e wi d e a sa r ei n t r o d u c e do nt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yh a r d w a r e p l a t f o r m ，w h i c hc a ni m p l e m e n t e di nag e n e r a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n a d d i t i o n ，s o m ep a r to ft h et e s t b e dw a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：s o f t w a r e r a d i o ，d i g i t a lu p c o n v e r t e r ( d u c ) ， d i g i t a ld o w n - c o n v e r t e rf o d c ) ，f p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期：趟：生：坌! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名鼋乞酗日期：坦! 丝! ! ： 保密论 够 北京邮电大学硕七学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信技术的发展 第一章绪论 移动通信在我国发展迅猛，2 0 0 5 上半年，全国移动电话用户累计新增2 8 3 4 4 万户，达到3 6 3 1 6 8 万户。移动通信己经成为我国乃至世界各国最主要的高新技 术支柱产业之一。从2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始，经过 9 0 年代第二代数字移动通信系统发展的整个过程，直到目前第三代移动通信系统 的商用开发，短短的十几年时间飞速发展己经证明，移动通信的发展速度势不可 挡，对人们日常生活的影响举足轻重。 目前移动通信正在从第二代( 2 g ) 逐渐向第三代( 3 g ) 过渡，而第三代移动通信 系统的开发日益成熟。和2 g 相比，3 g 可以提供更大通信容量，更好的通信质量， 以及部分的多媒体应用，但3 g 技术在对i p 多媒体业务的支持、更高频谱利用率 的提高以及资源综合优化的方面有其局限性。当3 g 技术日臻成熟直至逐渐走向 商用的时候，全球许多公司，研究机构也已经开始了对新一代移动通信系统即后 三代( b 3 g ) 的研究。 b 3 g 系统将是全i p 宽带实时多媒体系统。b 3 g 最大的数据传输速率超 1 0 0 m b i l ，s ，可以实现高分辨率实时图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使 用户在任何时间任何地点可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到 保；b 3 g 手机将可以提供高性能的流媒体内容，可以接受高分辨率的电影和电视 节目；b 3 g 系统做为一个融合点将广播和通信等基础设施融合为一体。b 3 g 容量， 容量一般指信息存储、信息处理和传输能力。新一代移动通信系统的容量至少是 第三代移动通信系统容量的1 0 倍，信息传输的带宽至少是现在的2 0 0 倍，甚至是 1 0 0 0 倍以上，同时用户数量可能是现在用户数的6 到8 倍。b 3 g 系统终端和服务的 价格要求，如果要实现前述b 3 g 系统通信容量，而且满足全人类1 4 人口移动中 的通信，一个关键的因素是成本要低，系统和终端的价格也要低。 目前一些国家正在积极进行第四代技术规范的研究制定，同时许多世界著名 北京邮电大学硕士学位论文 通信公司已经投入巨资研究新一代移动通信系统。 1 1 2 软件无线电 移动通信技术的不断发展，伴随着各种移动通信新技术的不断更替。2 0 世纪 7 0 年代和8 0 年代，无线电通信系统完成了从系统控制、信源编码、信道编码到硬 件技术等各个方面的由模拟向数字化转移。而软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 是9 0 年代初开始提出的一种实现无线通信新的体系结构。 软件无线电是m i t ol aj 在1 9 9 2 年美国电信系统会议上提出的概念，他希望用 这种新技术来解决无线电台之间多种不同通信体制的互通问题。1 9 9 5 年，i e e e 通信杂志出版了软件无线电专刊，迸一步阐述了软件无线电的体系结构及其相 关的关键技术软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用的 硬件平台，利用软件加载的方式实现无线电通信系统各种功能的一种具有开放 式结构的新技术。在一个统一的硬件平台上，不论是现有的体制和标准，还是新 的体制和标准，都可以通过空中下载软件服务商提供的统一的软件程序来进行 更新，无线电通信系统的工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信 协议等各种功能都可以通过软件来完成。 目前的无线通信技术，从w l a n 、u w b 到w i m a x ，从2 g 、3 g 到b 3 g ，正 变得越来越丰富，技术发展的脚步催生了网络融合的趋势，也使得面向未来的软 件无线电技术变得日益重要。 尽管目前软件无线电技术在中国应用得并不太广泛，但在基站和终端上应用 软件无线电仍将会成为一种趋势。软件无线电在国内的终端应用上也还远不够成 熟，但其发展前途非常巨大。 一个标准的软件无线电台包括宽带天线、射频部分、宽带数模转换器、通用 数字信号处理器等几部分。 4 1 宽带模数转换器的放置位置是衡量软件无线电品 质的重要指标。模数转换器的位置越接近天线，说明电台可以用软件实现的部分 越多，其软件化程度就越高。软件无线电台最理想的目标是将数模转换器件直接 放置在宽带天线之后，在射频端就将信号转换成数字信号。这样电台的其它部分 都可以用软件来完成，实现通信电台的全软件化。 限于当今的电子器件技术，在软件无线电的实施当中，通常用的是中频数字 北京邮电大学硕士学位论文 化软件无线电技术。它是一种把a d 应用于中频信号，即对中频信号进行数字化 的设计方法【6 j ：首先通过模拟下变频( 射频处理) 将射频信号转换为中频信号，再 对中频信号进行a d 转换，然后经数字下变频d d c 将中频数字信号一f 变频至低频 或基带供呵编程的d s p 进行处理，以完成无线电系统的各种功能。 现场可编程门阵：f i j ( f p g a ) 是在专用a s i c 的价格和低可编程性与d s p 的完全 可编程性和每项功能的高功耗之间的折衷方案，f p g a 是高速可配置的逻辑电路， 其物理和逻辑的布局布线是为状态机和顺序逻辑快速实现而设计的，时钟速度等 性能较初期已经有了很大的提高，单片集成度己发展到百万门以上，可用于复杂 的数字信号处理，如卷积、相关和滤波。f p g a 的可编程性、灵活性和高集成性， 在无线研究领域中己经得到了成功应用，为软件无线电的专用数字信号处理任务 提供了功能很强的平台，所以软件无线电的体系结构会支持采用f p g a 技术。 1 2 论文安排 本论文结合软件无线电在移动通信系统中的应用，重点对软件无线电数字中 频技术进行了理论分析和具体软硬件方案的实现分析。 全文共分为五章，其余章节具体安排如下： 第二章介绍软件无线电的总体架构以及软件无线电关键技术。分析了软件 无线电数字中频处理技术的数学基础和理论模型。 第三章介绍数字中频处理的关键技术，给出了一套基于数字上下变频宽带 数字中频软件无线的综合解决方案。 第四章首先把前一章节设计的数字中频应用到数字可编程器件( f p g a ) 的 系统中。对数字中频应用至i j f p g a 的几个技术难点做了具体分析，并给出了对应 的解决办法。最后搭建了一个套数字中频硬件测试平台，同时给出平台的验证结 果。 第五章对全文的研究工作进行总结，探讨发展趋势，指出进一步的研究方 向。 北京邮电大学硕士学位论文 参考文献 1 m i t ol aj t h es o f t w a r er a d i oa r c h i t e c t u r e 明i e e ec o m m t m i c a t i o nm a g a z i n e ， 1 9 9 5 ，( 5 ) ：2 6 3 8 2 】2 m i t ol aj s o f t w a r er a d i oa r c h i t e c t u r e ：am a t h e m a t i c a lp e r s p e c t i v e j i e e e c o m m u n i c a t i o nm a g a z i n e ，1 9 9 9 ，( 4 ) ：5 1 4 5 3 8 3 s p e c i a li s s u e so ns o f t w a r er a d i o ：j o u r n a lo fs e l e c t e da r e ao nc o m m u n i c a t i o n s 1 9 9 9 【4 】郭方化软件无线电技术综述 j 】现代电子技术，2 0 0 3 【3 】杨小牛，楼才义，徐建良软件无线电原理及应用，北京：电子工业出版社2 0 0 1 1 【5 】张银才浅谈软件无线电技术山西电子技术2 0 0 3 年第4 期 【6 】汪汉新张翔中频数字化软件无线电技术的研究中南民族大学学报( 自 然科学版) 2 0 0 5 ，9 北京邮电大学硕上学位论文 第二章软件无线电基础 通过前一章的介绍，了解了无线通信最新的发展趋势和软件无线电基本思想 以及软件无线电的应用前景。 本章将主要深入研究软件无线电的体系结构。主要从数学的角度对软件无线 电中的采样、滤波以及多速率数字信号处理进行了理论分析。分析其中重点和难 点技术，找到一种基本的实现方案。 2 1 软件无线电的基本概念 软件无线电应尽量在一个开放、模块化的软件平台上实现各种功能，并且要 能在不同标准的系统之间互联、兼容，能够应用新标准用无线接口下载个性化软 件并进行动态更新。 2 1 软件无线电( s d r ) 的基本思想是：在尽可能靠近天线 的地方使用宽带的模数转换，尽早地完成信号的数字化。1 6 1 这样的系统可以提高 系统的可编程性，从而使无线电系统的功能尽可能地用软件来定义和实现。 2 1 1 软件无线电系统结构 传统的无线电系统也分为射频，中频，基带三个部分。但是传统的无线电系 统主要是依靠确定的硬件来完成无线电到基带的变化。 图2 1 是一个传统的无线通信系统结构图： 图2 - 1 传统的无线通信系统整体结构 北京邮电大学硕士学位论文 l n a ：l o wn o i 。s ea m p l i f i e r 图2 - 2 理想软件无线电接收机结构 图2 2 是理想的软件无线电接收机简易结构图。 如图结构可以看出，宽带a d ，d a 变换尽可能地靠近射频天线，尽早地将接 收到的模拟信号数字化。在天线和a d c 之间只有带通滤波器( b p f ) 和低噪声放大 器( l n a ) 。然后把数字化以后的信号变换成可以直接由处理器处理的数字基带信 号。这样的结构能最大程度地通过软件来实现接收机的各种功能。 由理想软件无线电的结构我们可知，在某种程度上，软件无线电是一个理想， 可能永远不能完全实现，但是通过权衡软件无线电各部分功能的实现手段，部分 的去实现可实用的软件无线电通信系统。 图2 - 3 无线通信数字接收机结构 图2 - 3 为在现今条件下，硬件可实现的基于软件无线电的数字接收机系统结构 简图，它与传统结构的主要区别在于：将a e d 变换由基带搬移到了中频，尽可能 地靠近射频，对整个系统进行频带采样，这是软件无线电的关键思想。理想的软 件无线电宽带a d 变换( 带宽一般在2 g h z 以上) 的转换在射频频段进行。实际 操作中为降低数据流速率，a d 变换后的信号一般先经由专用数字信号处理器 ( 如数字下变频器) 处理，变至基带后，再由d s p 处理。基带处理主要包括调制 解调、编译码( 信道、信源) 、扩频解扩、信道均衡、定时、同步等。 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 软件无线电的关键技术 理想的软件无线电是直接实现射频数字化，其特点是在天线或射频前端之后 用a d 器件对宽带射频信号直接进行数字化，变换后的数字信号送入可编程的数 字信号处理器d s p ，并通过软件完成滤波、调制、解调、控制等各种功能，使整 个无线电系统获得最大的开放性、通用性和灵活性。 软件无线电系统需要解决的主要关键技术如下： f 1 ) 宽带分频段天线 软件无线电要求能够在短波到微波相当宽的频段内工作，这就要求研制一种 新型的全向宽带天线，根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和幅射特性。 但就目前技术水平，设计制造这样的全频段全向天线是不现实的。由于大多数系 统中覆盖不同频段的几个窗口就可以了，不必覆盖全部频段。因此采用组合式多 频段天线能够符合使用要求，这也是构建全向天线的种途径。 f 2 ) 多载波功率放大器( m c a p ) 理想的软件无线电在发射方向上把多个载波合成一路信号，通过上变频后，用 一种多载波功率放大器( m c a p ) 对宽带的模拟混合信号进行低噪声放大。其工作 频段是分段进行然后再混频。 ( 3 ) 高速宽带a d 、d a 转换技术 数字化是软件无线电基础。模拟信号通过采样、量比和编码转化成数字信号 才能用软件进行处理，而生成的数字信号也需要转变成模拟信号才能进行射频放 大输出。对a d a 的主要性能是转换速率和精度，理想的软件无线电台应是直接在 射频上进行a d 变换，这就要求必须具有足够的采样速率。软件无线电系统需要采 用多个高速采样保持电路和a d c 。随着技术的发展a d 、d a 器件的性能将逐步 提高，其位置越来越接近天线，最后将达到软件无线电的理想目标。 “) 高速并行d s p 数字信号处理( d s p ) 芯片是软件无线电技术中所必须的最基本的器件。中频 以下的处理主要有：基带处理、比特流处理和信源编码。基带处理是完成各种波 形的调制解调，扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要 几十到几百个m b p s 的处理能力。软件无线电的大量信号处理要求d s p 要满足运 算速度快、高精度的数据处理和高速数据交换能力。 ( 5 ) 软件无线电的算法 既是软件无线电技术，软件当然是核心。用软件实现设备的各种功能，首先要 北京邮电大学硕士学位论文 把对设备的各种功能的物理描述转化为对各功能的数字描述，即建立系统及各功 能模块的数学模型；其次要把数学模型转换成可以用计算机语言描述的算法；最后 把算法转换成用计算机编制的程序，使计算机可以完成相应的功能。软件无线电 对信号的处理的实时的，对算法的时间复杂性及空间复杂性都提出了很高的要求， 因此软件无线电主要采用数值法，但不排斥其它算法。 2 3 软件无线电采样理论 软件无线电接收机首先面临的问题就是如何对射频或中频模拟信号进行采 样，并要考虑采样速率应该取多大。 软件无线电的采样方式基本上可分以下为3 种： 1 0 l 1 ) 射频低通采样 射频低通采样数字化的软件无线电，其结构简洁，把模拟电路的数量减少到 最低程度。 这种结构从天线进来的信号经过滤波放大后就由a d c 进行采样数字化，这种 结构不仅对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高 的要求。同时对后续d s p 或f p g a 的处理速度要求也特别的高，因为射频低通采 样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍。比如，工作在1 m h z - 1 0 0 0 m h z 的软件无线电接收机，其采样速率就至少需要2 g h z ，这样高的采样率不仅仅a d 几乎不可能达到，而且后接的数字信号处理器也是难以满足要求的。 f 2 ) 射频带通采样 射频带通采样数字化的软件无线电与低通采样软件无线电结构的主要不同 点是，a d c 前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，然后根据所需的处理带宽进行 带通采样。这样对a d c 的采样速率的要求就不高了，对后续d s p 的处理速度要求 也可以随之大大降低。但是需要指出的是，这种射频带通采样软件无线电结构对 a d c 工作带宽的要求仍然还是比较高的。 ( 3 ) 宽带中频带通采样 宽带中频带通采样数字化的软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的 结构类似，都采用了多次混频体制或叫超外差体制，其主要特点是中频带宽更宽， 所有调制解调等功能全部由软件加以实现。 法。 本节将根据采样的理论分析比较，选择出适合于数字中频处理技术的采样方 北京邮电大学硕士学位论文 2 ，3 1 基本采样理论与低通采样接收机 对连续时间信号进行采样量化，转变为数字信号序列，然后进行数字信号处 理。设连续时间信号为x ( t ) ，其频谱为x ( ) ，理想采样信号为由单位冲激信号6 ( t ) 构成的周期冲激信号c ( t ) ，其周期为t s 频率为f s = l t s ，频谱为c ( ) c ( f ) = 5 ( t - n t s ) c ( c o ) ：i 2 1 艺占( 一慨) 采样过程为x ( t ) 与c ( t ) 相乘的过程，即采样后得到离散时间信号工。( n t s ) 为： 工，( n r s ) = x ( t ) c ( t ) 由频域卷积定理得： x ，( c o ) = = 互( ) $ c ( ) z 扛 = 去塾c c o - - n ( d ， 可见理想采样后的频谱变为x ( ) 的周期延拓频谱，重复频率为( j 0 s 。根据 n y q u i s t 采样定理为使频谱不发生混叠( 无失真) ，要求x f ) 的最高频谱分量 f ( s ) 2 ，f s 为n y q u i s t 采样频率。 采用基本采样理论可以设计出射频全宽开低通采样软件无线电接收机模型， f m a x ，f m i n 分别为接收机所要求的最低和最高工作频率( 一般要求很宽) ，根据 n y q u i s t 采样定理，必须满足： f s = 2 f m a x 如果考虑前置超宽带滤波器的矩形系数r ，则要求： f s = 2 r * f i n a x 例如当f a x = i g h z ，r = 4 时，f s = 8 g h z 。即使允许过渡带混叠，最低采样速率 也应满足：f s = ( r + 1 ) f m a x = 5 g h z 。如此高采样率的a d c 目前为止是无法实现 的。【7 如果要求a d 有很大的动态范围，制造起来更是困难，同时超宽带滤波器、 放大器实现也很困难。由于器件制造水平限制，这种结构难以实现。 综上，基于低通采样理论的射频低通采样的方式，由于受到a d c 器件的限制， 北京邮电大学硕士学位论文 在软件无线电中很难达到所需的性能。 2 3 2 带通采样理论与带通采样接收机 n y q u i s t 采样定理只讨论了对频谱分布在( 0 ， ) 上的基带信号采样问题。通 过带通型采样，带通信号能够以很低的速率采样，而且信号能够唯一的重构。 8 1 设一个带通信号x ( t ) 中心频率为f c ，频带限制在( n ，m ) 内，f h = f c 十b 2 ，f l = f e b 2 。 理论上只要采样率f s 不低于两倍的信号带宽b ，时域的采样就不会导致信号频谱 的重叠，同时采样率f s 需要满足： 2 l m 茎i s 2 f , i ( m 一1 1 其中1 兰i 1 1 m 一，m 。= ，口 ，x 表示不大于x 的最大整数。最低无失 真采样频率为正。= 2 m 。无失真欠采样成立的充要条件是聊一 1 ， 即 f l a b = 2 ，f l = b 。【8 图2 - 4 理想带通采样模型 采样率为f s 的理想带通采样模型如图2 - 4 所示。上述理想的带通采样模型在实 际应用中有一定限制，a d 转换器的工作带宽如果不够大，就不能对一个宽范围 的频段进行带通采样。另外，带通采样后，在整个接入带宽内的信号都要反折到 ( o f s 2 ) 的无混叠输出带宽内。1 9 1 因此需要在a d 前加上可调抗混叠跟踪滤波 器。 为了解决上述问题，可以采用前端超外差接收体制，即先用一个本振信号与 被数字化的模拟信号进行混频( 也可以经过多次混频) ，将其变成统一的中频信 号，然后进行数字化。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 5 超外差接收机模型 图2 5 是一个前端超外差接收机。图中三个频率之间的关系为丘= 阮一i ， 这样通过改变本振频率f l 就可以完成对不同频率f l 信号的数字化，这时a d c 前的 模拟信号的中心频率f c 是固定不变的，如果f c 取得适当，a d c 前的抗混叠滤波器 就相对容易做到。但是，这种超外差中频数字化体制的主要缺点。 这种超外差中频数字化接收体制严格来讲不是软件无线电概念上的一种理 想的结构形式，特别是过多的模拟信号处理环节而导致适应性不强，可扩展性差。 为了改善上述中频窄带数字化体制对信号环境的适应性和可扩展性，可以通 过适当增加中频带宽b 的方法部分解决上面涉及的问题。改进的结构与常规的超 外差接收机是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不一样，常规的电台的中频 带宽为窄带宽结构。 这种软件无线电接收机比理想带通采样模型复杂，射频前端的主要功能是把 射频信号变化为合适于a d 采样的宽带中频信号，通过相对复杂的射频前端把高 频信号变换为中心频率和带宽适中的宽带中频信号后，给后续的a d 采样数字化 大大减轻了负担。 宽带中频带通采样结构的软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽( 比如 2 0 m h z ) ，所有调制解调等功能全部由软件加以实现。【1 l j 中频带宽是这种软件 无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。这种宽带中频带通采用软件 无线电结构是上述三种结构中虽容易实现的，对器件的性能要求最低，但它离理 想软件无线电的要求最远，可扩展性、灵活性也是最差的。 在目前技术条件下，宽带数字中频接收机是软件无线电接收机主要的方案。 本论文主要是基于这个方案的。 北京邮电大学顾士学位论文 2 3 3 过采样技术 以远大于n y q u i s t 采样率进行采样的方法称之为过采样技术。采用过采样技 术会带来两个好处： 首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计需求，因为高的采样 率意味着长的周期，即抽样频域中信号频谱的各个拷贝相距较远，这样，由于前 级滤波器在截止频率附近阻带衰减不够所产生的混叠效应将会减轻，因而恢复后 信号的失真也会减小。换句话说，当采样率很高时，即使降低前级滤波器对阻带 衰减特性的要求，也不会带来更大的信号失真。 其次，过采样技术还可提高信噪比，由于存在着量化噪声，a d c 的信噪比 ( s n ) 可用下式近似表示： s n = 6 0 2 b + 1 7 6 + 1 0 l o g ( f m 2 f m a x ) ( d b ) 其中，b 为a d c 的位数，f i n 为采样速率，f m a x 为输入模拟信号的最高带宽。 由上式可以看出，如果a d c 的采样速率远大于信号带宽的两倍，就能带来可观 的信噪比，具体来说，采样率每提高一倍，信噪比增加3 d b 。u 2 1 所以，在本模 块之后的其它模块处理能力允许的条件下，a d c 应尽量提高采样率。 2 3 中频数字化 在宽带中频采样方式中，单信道软件无线电的结构主要包括：射频处理前端、 a d 和d a 转换器、上变频( d u c ) 和下变频( d d c ) 部分以及基带信号处理部分。 t r a n s m i t t e rp r o t o t y p e 一葑聂簇蒺jf 一；荔麓莰ji 磊一ji 谥百舌 图2 - 6 中频处理发射机模型 图2 - 6 为宽带中频采样的发射机结构图。如图所示，射频处理前端把中频信号 搬移到射频以便进行发射；d a c 将数字中频信号转换为模拟中频信号；中频数 字化部分同样完成两个功能：将零中频的基带信号上变频到中频，同时将低速率 的数字信号内插为高速率的满足中频n y q u i s t 采样定理的数字信号。 北京邮电大学硕士学位论文 r e c e i v e rp r o t o t y p e 一一一一一一一一一一一。一一一。一一一一j i 。一一一一i 一一一一一一一一一一一一。一一。一一一。? i 一一。一一一一一一一一一j i 一一一一一一一一一一一一一? 射频模块：中频模块 ：基带 ：应用层 图2 7 中频处理接收机模型 与发射机类似，接收机的设计中射频处理前端主要功能是将接收到的射频信 号搬移到中频；a d 将模拟中频信号转换为数字中频信号；中频数字化部分要 完成两个功能：一是将数字中频下变频到零中频信号，二是将满足中频采样定理 的高速采样信号降低为低速采样信号；最后送到基带处理部分进行解调处理。 中频数字化的软件无线电就是把宽带a e ) 器件应用在中频，这样就可以采用 一定的技术手段来降低对采样率的要求，比如采用多个a d c 并行采样和带通采 样的方法来满足川d 更高的工作带宽的要求，从而实现宽带中频的a e ) 转换。 中频数字化的软件无线电用到的另外一个重要的技术就是数字上下变频 ( d u c d d c ) 。 如果不做数字下变频，而直接把a d c 得到的数字中频信号直接交给数字基带 ( d b b ) 去处理，将会大大增加d b b 的运算量，这样对d b b 的实时处理运算能力就 有更高的要求。在中频宽带采样后的信号需要信道选择滤波器选中某个窄带信 道，而一个优良的f i r i i r 滤波器大约需要每个采样点l o o 次操作，对于3 0 m s s 的 采样率，即需要3 0 0 0 m i s 完成信道的选择和下变频。【5 】而按目前普通的d s p 可提 供2 0 0 mi s 的处理能力，只能完成基带信号的处理。 因此，在d s p 进行数字信号处理之前对信号进行数字下变频是一种有效的方 案。即使用数字下变频器d d c ，对a d 采集的数据作变频和抽取滤波处理，从 输入的宽带数据流的数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字基带信 号，并转换成较低的数据流，使现有的d s p 能够有效地完成实时处理数据的任务。 2 4 多速率数字信号处理 宽带数字中频软件无线电所基于的是带通采样定理，在前置滤波器的配合 北京邮电大学硕士学位论文 下，可以实现宽带频谱范围的数字化。带通采样定理的应用大大降低了所需的中 频谢频采样速率，为后续的实时数字处理奠定了基础，从软件无线电要求的角度 来看，带通采样的带宽应该越宽越好，这样对不同信号的会有更好的适应性，同 时可以简化系统设计，另一方面对一个频率很高的信号进行采样时，采样频率的 提高，对增加采样量化的信噪比是很有利的。所以在尽可能的情况下，带通采样 速率应该尽可能选的高一些，使瞬时采样带宽尽可能宽。但是随着采样速率的提 高，带来的一个问题就是采样后的数据流速率很高，导致后续的信号处理速度跟 不上，如果数据吞吐率太高时很难满足实时性要求的，所以很有必要对a d 后的 数据流进行降速处理。多速率信号处理技术为降速处理的实现提供了理论依据。 本节分析多速率信号处理的一些基本概念，其中最为重要的是抽取和内插的 基本理论。 2 4 1 整数倍抽取 整数倍抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形成一个 新序列x d ( m ) ，即： x d ( m ) = x ( m d ) 式中d 为正整数。很显然如果x ( r 1 ) 序列的采样率为f s ，则其无模糊带宽为f s 2 。 当以d 倍抽取对x ( n ) 进行抽取后得到的抽取序列b ( 肌) 之采样率为f s d ，其无模糊 带宽为f s ( 2 d ) ，当x ( n ) 含有大于f s ( 2 d ) 的频率分量时，x d ( m ) 就必然产生频谱混 叠，导致从x 。( m ) 中无法恢复x ( n ) 中小于f s ( 2 d ) 的频率分量信号。 设x ( n ) 的离散傅氏变换为x ( e ”) ，那么x d ( m ) 的离散傅氏变换为： x ( e j n 2 ) = 五1 刍d - i 研e j ( c o - 2 m ) l d 】 由上面式子可见，抽取序列的频谱( 离散傅氏变换) x 。0 ”) 为抽取前原始序 列之频谱x ( e 一) 经频移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和。下面给出了频谱变化 图。 抽取以后，频谱x 。( e 。) 产生了严重混叠，使得从x 。( p ”) 中无法恢复出 北京邮电大学硕士学位论文 x ( e ”) 中感兴趣的信号频谱分量。但是如果首先用数字滤波器( 滤波器带宽为 7 r j d ) 。对x ( e ”) 进行滤波，使x ( e 。) 中只含有小于州d 的频谱分量( 对应模拟频 率为丌f s d ) ，再进行d 倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠。 这样x 。( p 。) 可以准确地表示x ( e 7 。) 中小于刑d 或模拟频率兀f ，d 的分量信 号。所以这时对z 。0 ”) 进行处理等同于对0 ”) 的处理，但前者地数据流速率 只有后省的d 分之一，大大降低了对后处理( 解调分析等) 速度的要求。 图2 - 8 抽取器功能结构 通过上述分析可以得出一个完整的d 倍抽取结构如上图所示。 图2 - 8 中月。( e ”) 为其带宽小于7 【d 的低通滤波器。当原始信号的频谱分量 x ( e ”) 与本身就小于7 r i d 时，则前置低通滤波器可以省去。 一d r 2 4 2 整数倍内插 疗 霈2彤 图2 9 数据率抽取后信号频谱结构的变化示意图 所谓整数倍内插就是指在两个原始抽样点之问插入( i ，1 ) 个零点，若设原始抽 北京邮电太学硕士学位论文 样序列为x ( n ) ，则内插后的序列工， ) 为： 州妒p = 皿l _ ) 若x ( n ) 的离散傅氏变换为x ( e7 “) ，则x ，( m ) 的离散傅氏变换为： x j ( p 。) = x ( e 。) 由上式可知，内插后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的谱。 一2 牙 - - y l 一吖1 0 x l l 宏 盈 图2 1 0 数据率内插后信号频谱结构变化示意图 图2 。1 0 给出了内插前后的频谱结构。其中中间图为内插后未经过滤波的频谱 图，这时在x ，0 一) 中不仅含有x ( e j 。) 的基带分量( 如图中阴影部分所示) ，而且 还含有其频率大于栅的高频分量，为了从x ，和，。) 中恢复原始谱，则必须对内插 后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为棚) ，滤波后的频谱结构如第三图所示。 从图上我们可以看出，原来插入的零值点变为x ( n ) 的准确内插值，经过内插 大大提商了时域分辨率。 图2 1 l 内插器功能结构 北京邮电大学硕十学位论文 图2 1 1 为一个完整的内插器结构略图。 2 4 3 采样率的分数倍变换 前面讨论的抽取和内插实际上是采样率变换的一种特殊情况即整数倍变换， 然而在实际中往往会碰到分数倍变换的情况。 假设分数倍变换的变换比为：r = d i 则可以先进行i 倍内插再进行d 倍抽取来实现，但必须注意的是必须内插在 前，抽取在后，以确保中间序列的基带谱宽度不小于原始信号频谱的基带谱宽度， 否则会引起信号的失真。 2 4 4 抽取和内插的多相滤波结构 上节的抽取和内插两种模型对运算速度的要求是相当高的。抽取器模型中 的低通滤波器h 。( e ”) 位于抽取算子之前，而内插器其低通滤波器h 。( p ”) 位 于内插算子之后，其抗混叠数字滤波器都是在高采样率条件下进行，这大大提高 了运算速度的要求。 为了降低运算的复杂度，需要用多相滤波。 以下讨论一下多相滤波理论基础： 如数字滤波器的冲击响应为h ( n ) ；则其z 变换h ( z ) 定义为： h ( z ) = 矗( ”) - z 1 对求和式展开可重写为： dl+o h ( z ) = z - k h ( n d + k ) ( z 。) “ 令：e 。( z ) = h ( n d + k ) 上式为数字滤波器h ( z ) 的多相滤波结构。将这种结构应用于抽取器，并注意 到抽取器的等效关系，即可得到抽取器的多相结构。此时的数字滤波器瓯( z ) 均 位于抽取因子之后，即滤波是在降速后进行的，这就大大降低了对处理速度的要 求，提高了事实处理能力。另外，这种多相滤波结构的另一个好处是每一支分路 北京邮电大学硕士学位论文 滤波器的系数e 。( n ) 由原来的n 个减少为n d 个，可以减小滤波运算的累积误差， 提高计算精度。 同理我们可以给出适合于内插器的多相滤波结构的表示形式如下 i - 1 日( z ) = z 叫+ “r x ( z7 )令：r x ( z 7 ) = e ( j - t - k ) ( z 。) n = o 插入器跟抽取器的多相滤波结构一样，这时的分支滤波器r k ( z ) 阶数只有原 来的1 分之一，有利于提高运算精度，降低对子长的要求。 2 4 。5 采样率变换的多级实现 前面